看諧振現(xiàn)象如何解決電源電壓輸出尖刺問題！

　　眾所周知，開關(guān)電源與線性電源相比有許多優(yōu)點(diǎn)，最突出的就是其效率高。高效率又帶來或造成了其他的許多優(yōu)點(diǎn)。但是開關(guān)電源又有一個(gè)突出的缺點(diǎn)，就是輸出電壓中尖刺形成分很大，簡稱尖刺很大。

　　尖刺大造成了許多問題，它對(duì)輸入電網(wǎng)和輸出負(fù)載形成了高頻躁擾，影響負(fù)載和其它設(shè)備的工作。

　　這就在許多領(lǐng)域中限制了它的應(yīng)用。本文論述如何利用諧振現(xiàn)象，以一個(gè)簡單的處理方法，達(dá)到減小尖刺的目的。

　　一、尖剌產(chǎn)生的原因尖刺是怎樣產(chǎn)生的呢

　　原來，實(shí)際上能做出來的電感、電容元件和安裝電路，自身總存在一定的分布電容和分布電感。

　　它們組成了比較復(fù)雜的電路，有一個(gè)或幾個(gè)諧振頻率點(diǎn)，在迂到同頻率的電壓諧波時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生衰減振蕩，第一個(gè)正半波就是尖刺。在實(shí)際中，分布電容大約在幾個(gè)PF以下，分布電感大約在幾個(gè)MH以下。這種諧振頻率大約處于OMc以上的范圍內(nèi)。由于濾波電路接受的是方波形的電壓，而這種電壓波形含有很豐富的高次諧波，也就是說高次諧波的幅值比較大。在現(xiàn)在常用的設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源的基波頻率一般定在30至300Kc范圍內(nèi)，那么在10Mc以上范圍的高次諧波就會(huì)有較大的幅值，因此形成尖刺幾乎是必然的。開關(guān)電源是由開關(guān)管產(chǎn)生占空比可變的方波電壓，然后通過LC電感電容濾波電路變成平直的直流輸出電壓，上面疊加著尖刺。問題在于，這種尖刺很難被濾除掉。這與電壓的大小、安裝電路的形狀等有關(guān)，一般在幾十mV至一百多mV。

　　二、減小尖剌的方法

　　怎樣才能減小尖刺、使它處于幾毫伏甚至小于一毫伏呢，從以上工業(yè)科技發(fā)展分析可以看出，在濾波環(huán)節(jié)上下功夫難以有很大的效果，因?yàn)橐植茧娙蓦姼惺亲霾坏降摹?/p>

　　采用多級(jí)濾波雖能減小尖剌，但使系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易造成自激。

　　可以在削弱開關(guān)波形的高次諧波幅值上想辦法。在富利葉級(jí)數(shù)展開后，可以看出：方波高次諧波的幅值是與次數(shù)成反比，

　　An=K/n

　　n是諧波次數(shù)，K是常數(shù)。

　　三角波高次諧波的幅值是與次數(shù)的平方成反比，

　　An=K/n2.

　　這就是說，三角波與方波相比，其高次諧波的幅值要小得多。

　　為了更切合實(shí)際，我們?cè)賮砜纯刺菪尾ǖ那闆r。

　　梯形波的高次諧波幅值與次數(shù)的關(guān)系是：An=K/（n2―c）。

　　c是另一個(gè)常數(shù)，與梯形二邊斜度有關(guān)。

　　也就是說，梯形波的高次諧波在次數(shù)較大（十幾次以上）時(shí)，基本上也是與次數(shù)平方成反比。

　　這樣看來，如果將方波的前后沿變緩，其高次諧波幅值就會(huì)小很多，對(duì)減小尖刺很有利。我們可以用減小開關(guān)管的開關(guān)速度來減緩前后沿，這個(gè)方法雖簡單，但是管耗急劇上升，失去了開關(guān)電源損耗低的優(yōu)點(diǎn)，難以取得理想的效果，在實(shí)際上行不通。下圖是一個(gè)典型的開關(guān)電源中開關(guān)管的損耗與開關(guān)時(shí)間之間的關(guān)系曲線。開關(guān)頻率為25Kc.可以看出，開關(guān)時(shí)間加大到1HS（lOOOnS）以上時(shí)，管耗將急劇上升。而1MS以上的開關(guān)時(shí)間，才能有效地減小尖刺。一般開關(guān)時(shí)間都在200nS以下。而開關(guān)頻率大有升高的趨勢，達(dá)lKc以上，此法就更行不通了。

　　技術(shù)的發(fā)展要求我們解決既不增加損耗而又能有效地減小尖刺這一難題。

　　經(jīng)過反復(fù)研究和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以利用諧振現(xiàn)象本身來解決由它帶來的這個(gè)尖刺問題。在開關(guān)管和濾波器之間插入一個(gè)諧振電路，它的諧振頻率設(shè)計(jì)在開關(guān)頻率的10倍左右，約2Mc，這樣到達(dá)濾波器的電壓波形是一個(gè)方波疊加上一個(gè)衰減正弦波。

　　該正弦波的頻率就是這個(gè)諧振電路的頻率，由于其頻率不高，很容易被后面的濾波器濾除。尖刺可以小到理想的程度。在示波器上可以觀察到，開關(guān)波形的前后沿是衰減正弦波的前后半波，因此不陡。這個(gè)諧振電路也采用LC電路，損耗極小。而開關(guān)管仍保持高速開關(guān)工作，管耗依然很低。這個(gè)方法效果很好，在實(shí)驗(yàn)室研制的實(shí)驗(yàn)用電源中，尖刺小到5mV的水平。

　　經(jīng)過精細(xì)調(diào)整的電源中，尖刺可小到用5mV/格的示波器不能觀測出來。

　　三、結(jié)論

　　諧振現(xiàn)象是一個(gè)很有意思的電學(xué)現(xiàn)象，應(yīng)用得好，可以在科研和生產(chǎn)中解決許多難題，取得上佳的效果。本文論述的就是它在開關(guān)電源中的一個(gè)成功的應(yīng)用。

　　在既不減少效率又不明顯增加成本體積的前提下，有效地減小尖刺，提高了開關(guān)電源的品質(zhì)。